Лазерная передача данных. Вариации на тему космической лазерной связи

На этой недели стали известны результаты своего рода лунной лазерной связи. Тест происходил в течение 30-ти дней в условиях сложных из-за лунной пыли. Работал специальный проводник, который находится в данный момент на территории орбиты луны. Данный тест показал, что система связи полностью рабочая не смотря на дальность расстояния. Она также успешно связывает, как и любой радиосигнал из НАСА.

Данная технология демонстрирует практичного использования широкополосных лазеров, для соединения и установки связи. Данная связь, вернее ее загрузка, исполняется значительно быстрее, чем аналогичная радиосвязь. Данный способ позволяет получать сигнал на Земле со скоростью в 622 Мбит и отправлять с 20 Мбит. Такая скорость была зафиксирована 20 октября. Она передавалась с Луны на Землю при помощи импульсного лазерного луча. Этот сигнал приняла станция в Нью-Мексико, который является частью совместной работы США и Испании.

Лазеры имеют большое преимущество перед радиосигналами. Именно они имеют большую пропускную способность. Немаловажным является передача данных специфическим когерентным пучком. Это способствует меньшей затрате энергии при передаче сигнала на большие расстояния.

Исследователи в НАСА утверждают, что тест программы прошел с большим успехом. Такого рода результатов они не ожидали. Лазерное сообщение принималось и предавалось обратно на орбиту даже в самых сложных условиях. Это подтверждает теорию о том, что какие бы помехи не были, сигнал будет поступать на Землю. Ни космическая пыль, не расстояние, не является преградой для лазерного сигнала. Даже в моменты, когда увеличивался слой атмосферы, передача сигнала, осуществляясь без особых проблем, что говорит об эффективности данного устройства. Среди скептиков в НАСА не осталось и следа недоверия, когда даже облака не стали преградой для передачи сигнала.

Удивительно, но в сигнале не было ни одной ошибки. Процедура напоминает общение по мобильному телефону. Тем более что она работает без вмешательства человека. Система даже способна заблокироваться, когда долгое время не поступает никакого сигнала с наземных станций.

Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применяемую в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи, передающих не только телефонные, но и телевизионные и компьютерные сигналы.
Оптические системы связи делятся на открытые, где сигнал передается в атмосфере или космосе, и закрытые, то есть использующие световоды . Далее рассматриваются только открытые атмосферные линии связи.
Оптическая атмосферная система связи между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга. В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации. Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Кроме того, в атмосфере наблюдаются турбулентные явления, которые приводят к флуктуации показателя преломления среды, колебаниям луча и искажениям принимаемого сигнала. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней миРаспространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности.
Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветреСистемы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору

Функциональная схема системы лазерной связи очень проста:

· блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;

· преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения;

· на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;

· усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.

Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5°, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.

После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Вот так выглядит установленная система атмосферной лазерной связи. Пропускная способность системы - 100Mbit/sec на расстояние до 3! километров. фото:

Некоторые беспроводные удаленные мосты применяют для передачи данных инфракрасное излучение лазера. Обычно такое устройство содержит традиционный проводной Ethernet-мост и лазерный модем, обеспечивающий физическую связь. Другими словами, лазерное устройство только посылает биты данных, а всю остальную работу выполняет обычный мост. Лазерные модемы генерируют излучение с длиной волны 820 нм, которое не может быть обнаружено без специальных приборов. Очевидно, что для лазерных мостов излучатель и приемник должны располагаться на линии прямой видимости. Типичное расстояние между мостами составляет немногим больше 1 км и ограничивается мощностью лазера.
Одним из основных преимуществ таких систем является их большая пропускная способность. Второе преимущество - достаточная помехозащищенность, поскольку инфракрасное излучение не взаимодействует с радиоволнами. Подобно оптоволоконным системам лазерные мосты обеспечивают высокий уровень безопасности. Для перехвата информации необходимо поместить соответствующий прибор на линии луча, что, во-первых, легко может быть обнаружено, а во-вторых, это весьма сложно осуществить, так как такие системы устанавливаются на крышах высотных зданий. Недостатками лазер-базированных систем является влияние на устойчивость связи погодных условий. Сильный дождь, снег или туман приводят к значительному рассеянию луча и ослаблению сигнала. На связь может повлиять также солнечный восход или заход, если канал ориентирован с востока на запад.
Беспроводные мосты используются для постоянного соединения сетей, в качестве запасного канала или как временное средство. Их производством занимаются множество компаний. Цены в зависимости от пропускной способности и расстояния связи составляют от 5 до 75 тыс. долл. за канал. Дорого, однако со временем такое решение может окупиться.

2,5 Гбит/с по лазерному лучу

Компания fSONA Communications представила новую систему беспроводной оптической связи SONAbeam 2500-M, позволяющую достичь скорости передачи данных порядка 2,5 Гбит/с. Основа системы – четыре избыточных передатчика, работающих на длине волны 1550 нм с выходной мощностью лазерного сигнала 560 мВт. На пятикилометровом испытательном полигоне в ясную погоду, система отработала на максимальной скорости и практически без ошибок.

Контрольные вопросы

1. Какие технологии применяются для создания беспроводных сетей?

2. Перечислить основные технологии радиосетей.

3. Что такое точка доступа (access point)?

4. Охарактеризовать технологию 802.11.Что такое направленная и всенаправленная антенна?

5. Что такое роумингом (roaming).?

6. Перечислить технологии, альтернативные стандарту IEEE 802.11;

7. Охарактеризовать технологию Bluetooth .

8. Охарактеризовать технологию HiperLAN .

9. Что такое оптические сети?

10. Что такое микроволновые системы?

11. Охарактеризовать стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)?

12. Что такое беспроводные сети на базе низкоорбитальных спутников Земли?

13. Какие устройства входят в состав инфракрасной системы?

14. Что такое ИК-излучение?

15. Что такое атмосферная лазерная связь?

16. Как происходит прием и передача при атмосферной лазерной связи?

Радиоволны - не единственное средство связи с внеземными цивилизациями. Есть и другие способы, например световые сигналы. Поскольку световому сигналу придется преодолеть огромное расстояние, он должен обладать необходимыми свойствами: иметь достаточную для преодоления этого пути энергию. Легко убедиться, что для посылки таких световых сигналов оптические прожекторы непригодны. Они создают расходящиеся лучи света. Поэтому чем дальше от прожектора, тем ширина такого пучка становится больше. На огромных расстояниях она также очень большая. Это значит, что энергия, приходящаяся на единицу площади, очень малая.

Если использовать самый современный оптический прожектор, который создает пучок света (луч) шириной всего полградуса, то уже на расстоянии 50 километров световое пятно, создаваемое прожектором, составит 450 метров. Такой прожектор, установленный на Земле, будет создавать на Луне светлое пятно диаметром 3000 километров! Ясно, что при этом световая энергия рассеивается на большой площади и освещенность поверхности становится намного меньше, чем если бы это пятно составляло всего 10 или 100 метров. Образованное земным прожектором на поверхности Луны пятно обнаружить невозможно. Но Луна находится рядом с нами. Что же останется от плотности энергии на удалениях в сотни световых лет? Практически ничего. Поэтому рассматривать далее такой тривиальный источник световых сигналов нет смысла. Но необходимые оптические сигналы могут быть созданы с помощью лазеров, которые явились воплощением идей Алексея Толстого (гиперболоид инженера Гарина) и Г. Уэллса (тепловой луч марсиан).

Что касается лазерного излучения как средства связи с инопланетянами, то здесь важны два его свойства. Первое - возможность излучать практически не расходящийся пучок света (луч), что, как мы видели, нельзя сделать с помощью обычных прожекторов. Второе - возможность создавать мощные световые сигналы, которые способны достигнуть звезд, находящихся на удалениях в сотни и тысячи световых лет.

Важным свойством лазерного излучения является его монохроматичность (буквально «одноцветность»). Физически это означает, что излучение имеет строго неизменную длину волны, а значит, и цвет. В то же время имеются лазеры, которые излучают одну строго определенную длину волны, величина которой определяется «рабочим веществом» лазера. Такое вещество может быть газообразным, жидким или твердым. Вначале использовали главным образом синтетический рубиновый кристалл. При использовании стекла, активированного неодимом, длина волны излучения равна 1,06 мкм. В качестве рабочего вещества применяют, в частности, углекислый газ CO2 и многие другие вещества. Жидкостные лазеры позволяют излучать на разных длинах волн (в данном диапазоне). Излучение происходит попеременно, в каждый момент времени излучается одна строго определенная длина волны.

Важно и то, что лазерные установки позволяют излучать очень короткие импульсы света. Для передачи информации (последовательностями импульсов) это очень важно. Длина импульса может быть столь мала, что за время в одну секунду можно «уложить» до тысячи миллиардов импульсов. При излучении импульсы следуют друг за другом с определенной задержкой. Современные лазеры позволяют получать импульсы большой мощности. Так, даже столь короткие импульсы, как приведенные выше, могут иметь энергиюбольше 10 джо-улей! Чем больше длина импульса, тем больше содержащаяся в нем энергия. В режиме» свободной генерации», когда лазер сам регулирует длину излучаемых импульсов и она составляет порядка тысячной доли секунды, энергия каждого импульса может достигать нескольких тысяч джоулей. Лазеры позволяют излучать не только короткие импульсы света, но и непре-рывно. Например, газовые лазеры, работающие на углекислом газе, могут работать в режиме непрерывной генерации. В этом случае излучение характеризуется не энергией каждо-го импульса (т. к. отдельных импульсов нет), а энергией в единицу времени или, другими словами, мощностью. Так, мощность лазеров, работающих на углекислом газе, доходит до нескольких десятков киловатт.

Излучение лазера также рассеивается, но несравненно меньше, чем у прожекторов. Это определяется размерами рабочего вещества. Излучение с поверхности рабочего вещества происходит строго с одинаковой фазой (синфазно) по всей его поверхности. Поэтому ширина посылаемого лазером пучка зависит от размера блока «рабочего вещества», то есть чем больше поверхность, тем эже пучок излучаемого света. Зависимость ширины пучка от длины волны прямая: чем меньше длина волны, тем шире посылаемый лазером пучок. Но даже у рядовых лазеров, у которых размеры рабочего вещества составляют порядка 1 сантиметра, угол раствора светового пучка в 200 раз меньше, чем у прожектора. Он составляет 10 угловых секунд. Имеются, конечно, лазеры и со значительно меньшими углами светового излучения.

Чтобы избавиться от расхождения лучей, необходимо использовать оптическую систему типа телескопа, направляющую ход лучей. Если пучок лазерного излучения пропустить через линзу, у которой фокусное расстояние равно ее диаметру, то действительное изображение пучка в фокальной плоскости будет иметь размеры, равные длине волны. Далее, в том месте, где получено это действительное изображение пучка, поместим фокус другой линзы (или зеркала), диаметр которой намного больше, чем первой. Для второй линзы фокусное расстояние может быть больше ее диаметра, но может быть и равно ему (как и у первой линзы). Такая комбинация двух линз приводит к тому, что из второй большой линзы (зеркала) будет выходить пучок, у которого угол расхождения уменьшится (по сравнению с первоначальным, входящим в телескоп) во столько раз, во сколько раз диаметр второй линзы (зеркала) больше длины излучаемой волны. Таким образом, вполне реально сколь угодно уменьшить угол расходимости лазерного пучка.

Для связи с инопланетянами могут использоваться как связные системы, построенные на одном лазере, так и построенные на целой системе (батарее) лазеров. Если использовать непрерывно излучающий лазер мощностью 10 киловатт и дополнительное большое зеркало диаметром 5 метров, то можно сузить угол раствора пучка до 0,02 с дуги.

Можно использовать не одно большое зеркало, а определенное количество зеркал с малым диаметром (скажем, 10 сантиметров). Тогда система должна содержать столько же лазеров, сколько имеется зеркал. Вся она должна быть очень жестко ориентирована. Если взять 25 лазеров, то можно достичь угла раствора пучка, равного одной дуговой секунде.

Преимущество лазерных систем (батарей) для космической связи состоит в том, что при ее работе можно исключить влияние земной атмосферы. Если же работать с одним лазером, то из-за неспокойствия атмосферы угол раствора пучка становится значительно больше, чем при отсутствии такого влияния. Это влияние можно обойти, если лазерную систему поместить так, чтобы лазерный луч не проходил через атмосферу, то есть расположить ее на искусственном спутнике-платформе. Применять батарею лазерных установок в этом случае необходимости нет.

Впервые возможность связи с внеземными цивилизациями с помощью лазерного луча была научно проанализирована в 1961 году лауреатом Нобелевской премии Ч.Х. Таун-сом и Р.И. Шварцем. С тех пор лазерная техника в мире усовершенствовалась и условия для осуществления лазерной связи стали более благоприятными. Главное, что должна обеспечить эта техника, это достаточная мощность излучения и возможность отделить лазерное излучение, посланное нам инопланетянами, от излучения звезд. Как отделить свет лазера от света звезды? Этот вопрос отнюдь не простой, и решать его можно только благодаря особому свойству лазерного излучения - его высокой монохроматичности. Звезда (например, Солнце) излучает свет с различными длинами волн. Лазер же излучает только на строго определенной длине волны, скажем 0,5 мкм. На этой длине волны Солнце излучает наибольшую энергию. Тем не менее излучение лазера в 25 раз больше, чем у Солнца или у другой такой же звезды. Конечно, это относится только к данной конкретной длине волны. На других длинах волн (например, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра) это отношение было бы еще больше, поскольку на этих длинах волн Солнце излучает меньше, чем около зеленого света (0,5 мкм).

Таким образом, даже современная лазерная техника позволяет создать излучение, интенсивность которого на данной длине волны достаточна для того, чтобы его выделить из всего излучения звезд. Чтобы добиться еще лучшего выделения лазерного излучения, надо «работать» вблизи линий поглощения Солнца (или другой звезды), то есть в том диапазоне, где часть излучения Солнца поглощается и оно меньше мешает выделению лазерного излучения. Если лазер работает на длине волны 0,15 мкм, то его спектральная интенсивность может в десятки тысяч раз превосходить интенсивность солнечного излучения на этой длине волны, поскольку она находится в области поглощения солнечного излучения. Конечно, такая лазерная установка должна быть расположена за пределами земной атмосферы, иначе лазерное излучение будет поглощено атмосферным газом. Таким образом, регистрируя и анализируя свет от удаленных звезд, мы должны иметь в виду, что лазерное излучение, посланное внеземными цивилизациями, может быть обнаружено на фоне этого излучения. Оно проявится как узкая линия. Но для этого необходимо анализировать излучение звезд с помощью высококачественных спектрографов. Можно использовать также очень узкополосные фильтры. Конечно, указанные оптические устройства должны быть очень высококачественными: разрешающая способность спектрографа должна быть 0,03 А, для того чтобы получить 10 %-ную контрастность линии лазера над фоном. Современная оптическая техника позволяет это сделать. Поэтому уже сейчас мы можем на самых сильных телескопах начать вылавливание линий излучения, принадлежащих лазерным устройствам внеземных цивилизаций.

Мы неоднократно обсуждали различные аспекты действия эффекта Доплера на излучение движущегося источника. В данном случае этот эффект также необходимо учитывать, так как за счет движения приемников излучения в направлении самого излучения должно происходить смещение (доплеровский сдвиг) частоты излучения в ту или иную сторону. Чтобы регистрировать это излучение со смещенной частотой, надо располагать спектрографами с соответствующей разрешающей способностью.

Таким образом, даже современный уровень лазерной техники позволяет принимать лазерные сигналы от ближайших звезд и посылать их обратно. Но остается еще один, возможно самый главный, вопрос: куда посылать сигналы и откуда их принимать? В том и другом случае мы должны куда-то направлять наши телескопы, причем с очень большой точностью. То же самое требуется и от наших корреспондентов в космосе. Если они находятся на ближайших звездах (их планетах), то земную орбиту они будут наблюдать под углом в одну угловую секунду. Для того чтобы их лазерный луч попал на Землю, они должны направить его с угловым разрешением 0,02 секунды дуги. Нашим астрономам сейчас такая точность доступна. Поэтому мы полагаем, что она достижима и для внеземных цивилизаций, ищущих связи с нами.

Логично представить себе, что инопланетяне в поисках связи с нами будут «шарить» лазерным лучом в пределах Солнечной системы. Если они сделают ширину лазерного луча (пучка) больше, то при этом он будет все время освещать Землю и может относительно легко регистрироваться. Но чем шире луч, тем больше необходимо излучать энергии, чтобы ее хватило на всю освещаемую им поверхность, для того чтобы она могла быть зарегистрирована. Но можно думать, что эта трудность для инопланетян не будет неразрешимой. По крайней мере, в земных лабораториях увеличение мощности лазерного излучения происходит очень быстро.

Особенно эффективно лазерная связь может использоваться в пределах Солнечной системы. С помощью лазерного луча можно создать пятно на Марсе диаметром 5–7 километров, которое будет светиться примерно в 10 раз ярче, чем Венера при наблюдении с Земли. Лазерный луч может нести на себе любую информацию: его интенсивность можно изменять во времени по любому закону (другими словами, лазерное излучение можно модулировать соответствующим образом). Поверхность Луны была освещена лазерным лучом. На не освещенной Солнцем стороне Луны получается светящееся пятно диаметром 40 метров. Оно освещено в 100 раз меньше, чем в случае прямого падения солнечных лучей.

С середины 20 века началось активное исследование микроволн. Американский физик Чарльз Таунс решил усилить интенсивность микроволнового луча. Возбудив молекулы аммиака до высокого энергетического уровня путем нагревания или электрической стимуляции, ученый затем пропускал сквозь них слабый микроволновой луч. В результате получался мощный усилитель микроволнового излучения, который Таунс в 1953 г. назвал «мазером». В 1958 г. Таунс и Артур Шавлов сделали следующий шаг: вместо микроволн они попытались усилить видимый свет. На основе этих экспериментов Майман и создал в I960 г. первый лазер.

Создание лазера позволило решить широкий спектр задач, которые способствовали значительному развитию науки и техники. Что позволило в конце 20-го, начале 21-го веков получить такие разработки как: волоконно-оптические линии связи, медицинские лазеры, лазерную обработку материалов (термообработка, сварка, резка, гравировка и прочее), лазерное наведение и целеуказание, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов и многое другое. Все эти изобретения значительно упростили, как и жизнь обычного человека, так и позволили разрабатывать новые технические решения.

В этой статье будут приведены ответы на следующие вопросы:

1) Что такое беспроводная лазерная связь? Каким образом она осуществлена?

2) Какие условия применения лазерной связи в космосе?

3) Какое оборудование необходимо для осуществления лазерной связи?

Определение беспроводной лазерной связи, способы ее осуществления.

Беспроводная лазерная связь — вид оптической связи, использующий электромагнитные волны оптического диапазона (свет), передаваемые через атмосферу или вакуум.

Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу.

На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.

Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода.

Из вышесказанного следует, что ключевыми приборными элементами для осуществления лазерной связи являются полупроводниковый лазерный диод и высокочувствительный фотодиод (лавинный фотодио). Рассмотрим чуть более подробно принцип их действия.

Лазерный диод - полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсной населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Пример современного лазерного диода предоставлен на рисунке 1.

Лавинные фотодиоды - высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт). Пример современного лавинного фотодиода предоставлен на рисунке 2.

Условия применения лазерной связи в космосе.

Одним из перспективных направлений развития систем космической связи, являются системы, основанные на передачи информации по лазерному каналу, поскольку данные системы могут обеспечить большую пропускную способность, при меньшем энергопотреблении, габаритных размерах и массе приемопередающей аппаратуры, чем использующиеся в данный момент системы радиосвязи.

Потенциально системы космической лазерной связи могут обеспечивать исключительно высокую скорость информационного потока – от 10-100 Мбит/с до 1-10 Гбит/с и выше.

Однако существует ряд технических проблем, которые необходимо решить, для реализации лазерных каналов связи между космическим аппаратом (КА) и Землей:

необходима высокая точность наведения и взаимного сопровождения на расстояниях от полутысячи до десятков тысяч километров и при движении носителей с космическими скоростями.
Существенно усложняются принципы приема-передачи информации по лазерному каналу.
Усложняется оптико-электронная аппаратура: точная оптика, прецизионная механика, полупроводниковые и волоконные лазеры, высокочувствительные приемники.

Эксперименты по осуществлению космической лазерной связи

Эксперименты по реализации систем лазерной связи для передачи больших массивов информации ведут как Россия, так и Соединенные Штаты Америки.

Система лазерной связи (СЛС) РФ

В 2013 году был проведен первый Российский эксперимент по передаче информации с помощью лазерных систем с Земли на Российский сегмент Международной Космической Станции (РС МКС) и обратно.

Космический эксперимент «СЛС» проводился с целью отработки и демонстрации российской технологии и аппаратуры приема-передачи информации по космической лазерной линии связи.

Задачами эксперимента являются:

отработка в условиях космического полета на РС МКС основных технологических и конструктивных решений, закладываемых в штатную аппаратуру межспутниковой лазерной системы передачи информации;
отработка технологии приема-передачи информации с использованием лазерной линии связи;
исследование возможности и условий работоспособности лазерных линий связи «борт КА – наземный пункт» при различном состоянии атмосферы.

Эксперимент планируется проводить в два этапа.

На первом этапе отрабатывается система приема — передачи информационных потоков по линиям «борт РС МКС–Земля» (3, 125, 622 Мбит/с) и «Земля–борт РС МКС» (3 Мбит/с).

На втором этапе планируется отработка высокоточной системы наведения и системы передачи информации по линии «борт РС МКС – спутник-ретранслятор».

Система лазерной связи на первом этапе эксперимента «СЛС» включает в свой состав две основные подсистемы:

бортовой терминал лазерной связи (БТЛС), установленный на российском сегменте Международной космической станции (рисунок 3);
наземный лазерный терминал (НЛТ), установленный на станции оптических наблюдений «Архыз» на Северном Кавказе (рисунок 4).

Объекты исследования на 1 этапе КЭ:

аппаратура бортового терминала лазерной связи (БТЛН);
аппаратура наземного терминала лазерной связи (НЛТ);
атмосферный канал распространения излучения.

Рисунок 4. Наземный лазерный терминал: астропавильон с оптико-механическим блоком и юстировочным телескопом

Система лазерной связи (СЛС) — 2 этап.

Второй этап эксперимента будет проводиться после успешного выполнения первого этапа и готовности специализированного КА типа «Луч» на ГСО с бортовым терминалом межспутниковой лазерной системы передачи информации. К сожалению, информации о том, был ли проведен второй этап или нет, в открытых источниках не удалось обнаружить. Возможно, результаты эксперимента засекретили, либо второй этап так и не провели. Схема передачи информации предоставлена на рисунке 5.

Проект OPALS США

Практически одновременно американское космическое агентство NASA начинает развертывание лазерной системы OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

«Система OPALS представляет собой первую экспериментальную площадку для разработки технологий лазерных космических коммуникаций, а Международная космическая станция будет выступать в роли полигона для испытаний системы OPALS» — рассказывает Майкл Кокоровский (Michael Kokorowski), руководитель проекта OPALS и сотрудник Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), — «Будущие лазерные коммуникационные системы, которые будут разработаны на базе технологий OPALS, смогут обеспечить обмен большими объемами информации, что устранит узкое место, которое в некоторых случаях сдерживает научные исследования и коммерческие предприятия».

Система OPALS представляет собой герметичный контейнер, в котором находится электроника, посредством оптического кабеля связанная с лазерным приемно-передающим устройством (рисунок 6). В состав этого устройства входит лазерный коллиматор и камера слежения, установленные на подвижной платформе. Установка OPALS будет отправлена на борт МКС на борту космического корабля Dragon, который отправится в космос в декабре этого года. После доставки контейнер и передатчик будут установлены снаружи станции и начнется 90-дневная программа полевых испытаний системы.

Принцип работы OPALS:

С Земли специалистами лаборатории Optical Communications Telescope Laboratory в сторону космической станции будет послан луч лазерного света, который выступит в качестве маяка. Оборудование системы OPALS, уловив этот сигнал, с помощью специальных приводов нацелит свой передатчик на наземный телескоп, который будет служить в качестве приемника, и передаст ответный сигнал. В случае отсутствия помех на пути распространения лучей лазерного света коммуникационный канал будет установлен и по нему начнется передача видео- и телеметрической информации, которая в первый раз будет продолжаться порядка 100 секунд.

Европейская система передачи данных (European Data Relay System сокр. EDRS).

Система European Data Relay System (EDRS) — запланированный Европейским космическим агентством проект, по созданию группировки современных геостационарных спутников, которые будут осуществлять передачу информации между спутниками, космическими кораблями, беспилотниками (БПЛА) и наземными станциями, обеспечивая более быструю по сравнению с традиционными методами передачи данных скорость, даже в условиях природных и техногенных катастроф.

EDRS будет использовать новую технологию лазерной связи Laser Communication Terminal (LCT). Лазерный терминал позволит передавать информацию со скоростью 1.8 Гбит/с. Технология LCT предоставит возможность спутникам системы EDRS передавать и получать порядка 50 терабайт данных в день практически в режиме реального времени.

Первый спутник связи EDRS должен отправиться на геостационарную орбиту в начале 2016 года с космодрома Байконур на российской ракете-носителе «Протон». Добравшись до геосинхронной орбиты над Европой, спутник проведет лазерные линии связи между четырьмя спутниками «Sentinel-1» и «Sentinel-2», работающими в рамках космической программы по наблюдению за Землей «Коперник», беспилотными летательными аппаратами, а также наземными станциями в Европе, Африке, Латинской Америке, Среднем Востоке и на северо-восточном побережье США.

Второй, аналогичный спутник будет запущен в 2017 году, а запуск третьего спутника запланирован на 2020 год. В сумме эти три спутника смогут покрыть лазерной связью всю планету.

Перспективы развития лазерной связи в космосе.

Преимущества лазерной связи по сравнению с радиосвязью:

передача информации на большие расстояния
высокая скорость передачи
компактность и легкость оборудования для передачи данных
энергоэффективность

Недостатки лазерной связи:

необходимость точного наведения приёмных и передающих устройств
атмосферные проблемы (облачность, пыль и т.д.)

Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Затруднения в виде необходимости точного наведения приёмных и передающих устройств можно решить современными техническими средствами. Кроме того, приемные наземные устройства можно располагать в районах Земли, где количество облачных дней минимально.

Помимо представленных выше проблем, существует еще одна проблема - это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в том числе и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько - на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.

Таким образом при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот, плохой на первый взгляд, факт мы можем обратить себе на пользу. Поскольку этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать эти самые границы раздела слоев, сред. Мы можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит количество помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время. Зато это позволит удешевить КА за счет экономии на системе наведения. Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса.

На текущий момент, если рассматривать связь «Земля – КА и КА-Земля», оптимальным решением является синергия лазерной и радиосвязи. Достаточно удобным и перспективным является передача данных с КА на Землю с помощью лазерной связи, а с Земли на КА радиосвязью. Связано это с тем, что лазерный приёмный модуль представляет собой достаточно громоздкую систему (чаще всего это телескоп), который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем, известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Такую систему непросто установить на КА, поскольку чаще всего предъявляются требования компактности и малого веса. При этом передатчик лазерного сигнала обладает небольшими габаритами и весом по сравнению с антеннами для передачи радиосигнала.

В настоящее время лазерная техника открывает новые возможности для совершенствования систем связи, локации и радиоуправления. Эти возможности связаны с огромным коэффициентом усиления передающих оптических антенн, что позволяет получить большое отношение сигнал/шум в приемнике в широкой полосе частот при маломощных передатчиках и с возможностью использовать очень широкие полосы частот при передаче и приеме оптических сигналов.

Лазерные системы передачи информации имеют следующие преимущества по сравнению с радиосистемами.

Возможность передачи информации с очень высокой скоростью при относительно малой мощности передатчика и малых габаритных размерах антенны. Сегодня лазерные линии связи могут обеспечить передачу информации со скоростью до 102 Гбит/с и более. При временном уплотнении каналов можно в многоканальной линии связи получить результирующую частоту следования импульсов более 100 ГГц, что превышает всю полосу радиочастотного спектра, используемого сегодня.

Скрытность передачи информации и защищенность от организованных помех (из-за очень узких ДН передающих и приемных антенн, составляющих единицы угловых секунд).

Однако имеются и недостатки, основными из которых являются: зависимость работы от метеоусловий и необходимость использовать световоды (кварцевые, стеклянные волокна).

Реальные перспективы для лазерных систем связи открываются в системах космической связи «ИСЗ-ИСЗ» ввиду отсутствия атмосферы. В таких системах широкополосная и узкополосная информация от низкоорбитальных КА будет передаваться по лазерным линиям связи на стационарные ИСЗ и с них на наземные станции. Важное значение будут иметь спутниковые системы связи «Земля-Земля» через ИСЗ-ретранслятор с лазерными линиями связи.

Расчеты показывают, что в таком канале связи реализуема скорость передачи информации более 1 Мбит/с из района Марса. Для сравнения можно сказать, что в существующих телеметрических радиолиниях для связи с КА в районе Марса скорость передачи информации не превышает 10 бит/с.

Прежде чем обсуждать вопрос выбора системы для космической связи, оценим достоинства и недостатки используемых систем:

с прямым детектированием (рис. 8, а);

с гетеродинным приемником (рис. 8, б).

Рис. 8

Отметим, что помехоустойчивость обеих систем примерно одинакова и для одной и той же частоты и одинакового уровня развития лазерной техники имеются явные преимущества у первой системы, которые заключаются в следующем:

Имеет более простое приемное устройство;

Нечувствительна к доплеровскому сдвигу частоты, что исключает необходимость поиска сигнала по частоте в приемнике (как это имеет место во второй системе);

Нечувствительна к искажению волнового фронта сигнала (возникающего в турбулентной атмосфере), поэтому возможны простые наземные антенны с большой апертурой. В гетеродинном приемнике турбулентность атмосферы ограничивает размеры приемной антенны и для ее увеличения (площади антенны) необходимо применять антенную решетку, состоящую из множества антенн с устройством сложения выходных сигналов;

Имеет приемную антенну, к которой не предъявляются требования высокого оптического качества, что позволяет реализовать более легкие и дешевые бортовые антенны;

Позволяет реализовать более эффективные методы взаимного наведения передающих и приемных антенн (по сравнению с одноэтапным растровым сканированием во второй системе).

Единственным преимуществом систем с гетеродинным приемником является более эффективное подавление фона в приемнике (по сравнению с первым).

Проведем анализ частотной пригодности лазеров для космической связи.

Из-за большой дальности связи требуются передатчики со средней мощностью от долей до единиц ватт. Такие лазеры с приемлемым КПД имеются в трех основных диапазонах:

10 мкм - газовый лазер на СО 2 с = 10,6 мкм, в одномодовом режиме при Р = 1 Вт = 10%, t раб = 10 тыс. ч. непрерывной работы (пригоден для бортовой аппаратуры и из-за высокой стабильности частоты вполне может работать в системе с гетеродинным приемником);

1 мкм - твердотельный лазер на итрий-алюминиевом гранате (ИАГ), активированном ниодимом (J-Al/Nd) = 1,06 мкм, = 1,5 2%, Р макс = n0,1 Вт (такой лазер может с успехом работать на стационарных ИСЗ, т.к. накачка осуществляется решетками светодиодов или устройствами солнечной накачки. В последнем случае коллектор солнечной энергии через оптический фильтр фокусирует энергию накачки на лазерном стержне, обеспечивая его возбуждение. Калий-рубидиевые лампы накачки обеспечивают t раб до 5 тыс. ч при = 10%. Результирующий = 10 Светодиоды имеют больший ресурс, но их мощность мала и поэтому они пригодны только для маломощных передатчиков до 0,1 Вт);

0,5 мкм - перспективным здесь является Nd:ИАГ-лазер, работающий в режиме удвоения частоты = 0,53 мкм (ярко-зеленый цвет), с эффективностью преобразователя близкой к единице.

Для низкоскоростных лазерных линий связи перспективными являются импульсные газовые лазеры на парах металлов. В импульсном режиме лазер на парах меди имеет = 0,5106 и 0,5782 мкм и = =5% (в режиме модуляции добротности) при средней мощности единицы ватт.

Возможности приемной техники в этих трех диапазонах следующие:

10,6 мкм - имеются фотодетекторы с высокой квантовой эффективностью (40 50%) при охлаждении до 77 100 К, но т.к. фотодетекторы не обладают внутренним усилением, они не пригодны для систем с прямым детектированием;

1,06 мкм - для систем с прямым детектированием можно использовать ФЭУ или лавинные фотодиоды. Но квантовая эффективность ФЭУ на этой длине волны составляет всего 0,008, поэтому этот диапазон значительно уступает первому;

0,53 мкм оказывается более приемлемым диапазоном в режиме прямого детектирования, т.к. показатели его из-за увеличения эффективности ФЭУ существенно выше.

Итак, имеются две системы космической связи:

С прямым детектированием сигнала на длине волны 0,53 мкм;

С гетеродинным приемником в ИК-диапазоне на 10,6 мкм.

Причем система с = 10,6 мкм имеет:

Более низкий уровень квантового шума (т.к. спектральная плотность квантового шума пропорциональна величине hf, то на = =10,6 мкм она в 20 раз меньше, чем на = 0,53 мкм);

КПД лазерного передатчика диапазона =10,6 мкм выше, чем на = 0,53 мкм.

Первые два свойства системы позволяют использовать более широкие диаграммы направленности передатчиков по сравнению с системой видимого диапазона, что упрощает систему наведения.

Недостатки здесь те же, что и у гетеродинного метода.

Система видимого диапазона = 0,53 мкм, имея более высокий уровень квантового шума, более низкий КПД передатчика, может иметь значительно уменьшенные ДН передающей антенны. Так, если апертуры передающих антенн одинаковы (на = 0,53 и 10,6 мкм), то передающая антенна на = 0,53 мкм будет иметь коэффициент усиления в 400 раз больший, чем на = 10,6 мкм, что с запасом компенсирует названные выше недостатки. Более узкие лучи передающих антенн усложняют систему взаимного наведения передающих и приемных антенн, однако использование эффективных многоэтапных методов поиска позволяет существенно сократить время вхождения в связь. Причем в гетеродинном приемнике возможно только простое растровое сканирование при поиске сигнала и время поиска существенно увеличивается за счет необходимости одновременного поиска сигнала по частоте.

Важным преимуществом антенны видимого диапазона является возможность построения спутниковой системы связи многостанционного доступа. В этом случае на борту ИСЗ-РРС размещаются несколько (по числу линий связи) простых приемников прямого детектирования. Для систем диапазона 10,6 мкм это практически невыполнимо из-за сложности гетеродинных приемников с громоздкими устройствами охлаждения фотосмесителей.

Таким образом, по существующему техническому уровню системы с прямым детектированием (= 0,53 мкм) имеют существенные преимущества:

для дальней космической связи «КА-Земля» через атмосферу;

для спутниковой системы с многостанционным доступом.

Для спутниковой системы связи, когда приемный (или передающий) луч ИСЗ-ретранслятора «перекидывается» с одного абонента на другой по программе, система связи с высокой пропускной способностью на = 0,53 и 10,6 мкм имеют сравнимые характеристики при скоростях передачи информации до нескольких сотен мегабит в секунду. Более высокие скорости передачи информации (более 10 Гбит/с) в системе с = 10,6 мкм трудно реализуемы, в то время как в видимом диапазоне они могут быть просто обеспечены за счет временного уплотнения каналов.

Пример реализации системы связи трех синхронных спутников (рис. 9):

длина волны передатчика = 0,53 мкм (детектирование прямое);

модуляция осуществляется электрооптическим модулятором, а сигналом модуляции является СВЧ-поднесущая с центральной частотой m = 3 ГГц и боковой полосой от мин = 2,5·10 9 до макс = 3,5·10 9 Гц (т.е. = 10 9 Гц);

Рис. 9

электрооптический модулятор (кристалл) работает в поперечном режиме с электрооптическим коэффициентом r 4·10 -11 при микроволновой диэлектрической проницаемости = 55 0 . Максимальная глубина модуляции - Г m = /3;

коллимирующая и принимающая линзы имеют размеры 10 см;

соотношение сигнал/шум на выходе усилителя, следующего за ФЭУ, равен 10

Определим общую мощность источника постоянного тока, которым спутник должен снабжаться, чтобы удовлетворить требованиям задания на проектирование (определим сначала уровень оптической мощности передаваемого излучения, а затем мощность модуляции, необходимую для работы).

Решение : Синхронный спутник имеет период обращения 24 часа. Расстояние от Земли до спутника определяем из равенства центробежной и гравитационной сил

mV 2 /R ES = mg(R Зем) 2 /(R ES) 2 ,

где V скорость спутника; m его масса; g - гравитационное ускорение у поверхности Земли; R ES - расстояние от центра Земли до спутника; R Зем - радиус Земли.

Синхронная орбитальная частота вращения (24 часа) позволяет определить

V/R ES = 2/(246060), тогда R ES = 42 222 км.

Расстояние между спутниками R = 73 12 км при разносе в 120 О. Если оптический сигнал мощностью Р Т передается в телесном угле T и принимаемая апертура обеспечивает телесный угол R , то принимаемая мощность

P R = P T (R / T).

Передаваемый оптический пучок (рис. 35) дифрагирует с углом расходимости пучка, который связан с минимальным радиусом пучка 0 выражением

пучка = / 0 .

Соответствующий телесный угол T = (пучка) 2 .

Если принять 0 равным радиусу d т передающей линзы, то

Телесный угол приемника равен

R = d 2 R /R 2 ,

R расстояние между передатчиком и приемником.

Из (42), (44), (45) имеем

P T = P R R 22 / 22 T 2 R .

Запишем соотношение сигнал/шум на выходе ФЭУ, работающем в режиме квантового ограничения (т.е. когда основной источник шума - дробовый шум самого сигнала):

с/ш = 2 (P R e/h) 2 G 2 /G 2 ei d = P R /h,

где Р R оптическая мощность, G - коэффициент усиления по току, i d - темновой ток. При = 0,53 мкм, = 0,2 - эффективность преобразования мощности, = 10 9 Гц с/ш = 10 3 получим Р R 2·10 -6 . При этом требуемая мощность в соответствии с (46) при R = 7,5·10 4 м составит Р т 3 Вт.